Diseño de esquemas de computación autónoma para el ...
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Diseño de esquemas de computación autónoma para el desarrollo del Internet de las Cosas Grado en Ingeniería en Sonido e Imagen en Telecomunicación Trabajo Fin de Grado Autor: Paola Sánchez Pinedo Tutor/es: Higinio Mora Mora Enero 2018
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Diseño de esquemas
de computación
autónoma para el
desarrollo del Internet
de las Cosas
Grado en Ingeniería en Sonido e Imagen
en Telecomunicación
Trabajo Fin de Grado
Autor:
Paola Sánchez Pinedo
Tutor/es:
Higinio Mora Mora
Enero 2018
Resumen
Hoy en día, el número de dispositivos inteligentes conectados crece a grandes
velocidades y supone un consumo energético muy elevado. A esto añadimos que el
Internet de las Cosas pretende hacer de nuestras ciudades del futuro las denominadas
Smart Cities. Estas ciudades llenas de sensores elevarán este consumo energético de
forma considerable y supondrán un gran gasto a nivel de mantenimiento si hacen uso
de las baterías convencionales.
Por ello, cobra importancia el estudio de las tecnologías basadas en energy harvesting.
Estas aplicaciones de recolección de energía nos permitirán obtener energía ilimitada y
respetuosa con el medioambiente. Además, nos ahorrará el tener que sustituir
microbaterías en los millones de sensores que habrá colocados por las ciudades, lo que
reducirá costes y tiempo, además de reducir la contaminación. Con lo cual, debemos
hacer un estudio de cuáles de estos métodos resultan más interesantes para las
aplicaciones que componen una Smart City y, por lo tanto, en cuáles merece la pena
invertir nuestro tiempo.
«A lo largo del espacio hay energía, y es una mera cuestión de tiempo hasta que los hombres
tengan éxito en sus mecanismos vinculados al aprovechamiento de esa energía.
Nikola Tesla
Índice general
Resumen .................................................................................................................................... 2
Introducción ............................................................................................................................. 7
Motivación y objetivos .......................................................................................................... 9
Energía de cosechamiento ................................................................................................ 10
Estructura genérica de los sistemas energy harvesting ........................................ 11
Fuente de alimentación ........................................................................................................ 11
Captación y tratamiento ....................................................................................................... 11
Almacenamiento .................................................................................................................... 12
Almacenamiento en baterías o microbaterias ............................................................... 12
Almacenamiento en supercondensadores ..................................................................... 13
Comparativa: baterías o supercondensadores ............................................................. 14
Métodos de recolección de energía ............................................................................... 17
Generadores piezoeléctricos ................................................................................................ 17
Generadores electroestáticos .............................................................................................. 18
Generadores electromagnéticos ......................................................................................... 20
Generadores termoeléctricos .............................................................................................. 22
Generadores fotovoltaicos ................................................................................................... 23
Generadores RF (radiofrecuencia) ..................................................................................... 24
Aplicaciones reales ............................................................................................................... 26
Aplicaciones con piezoeléctricos ......................................................................................... 26
Aplicaciones con electrostáticos.......................................................................................... 27
Aplicaciones usando electromagnetismo ........................................................................... 29
Aplicaciones con termoeléctricos ........................................................................................ 32
Aplicaciones con fotovoltaicos............................................................................................. 34
Aplicaciones con radiofrecuencia (RF) ............................................................................... 35
Comparación de las aplicaciones: viabilidad ..................................................................... 40
Comparación de las aplicaciones: energía ........................................................................ 45
El Internet de las cosas y las Smart Cities .................................................................. 55
Conclusiones .......................................................................................................................... 61
Bibliografía .............................................................................................................................. 63
Índice de figuras
Figura 1 - Imagen de una microbatería [13].......................................................................... 13
Figura 2 - Gráfica comparativa de tratamiento de energía en ambos dispositivos. [11] 15
Figura 3 - Modos de piezoeléctricos: opción a (izquierda) y opción b (derecha) [17]. ... 17
Figura 4 - Modelo genérico de un generador piezoeléctrico [11]. ..................................... 18
Figura 5 – Tipos de generadores electroestáticos: (a) plano de superposición, (b) plano
de cierre de hueco, (c) fuera de plano [17]. ........................................................................... 19
Figura 6 - Ejemplo circuito genérico de un generador electroestático [10]. ..................... 20
Figura 7 - Dos tipos de generadores electromagnéticos [17]. ............................................. 21
Figura 8 - Modelo genérico de un generador electromagnético [11]. ............................... 21
Figura 9 - Modelo genérico de generador termoeléctrico [11]. .......................................... 22
Figura 10 - Esquema de un termopar (izquierda) y una termopila (derecha) [18]. ........ 23
Figura 11 - Modelo genérico de un generador fotovoltaico [11]. ...................................... 24
Figura 12 - Esquema de un sistema por radiofrecuencia [20]. ........................................... 25
Figura 13 - Topes de gel de silicona colocados en los diferentes transductores
piezoeléctricos [21]. .................................................................................................................. 26
Figura 14 - Esquema del dispositivo de recolección de energía electroestático de la
aplicación [26]. .......................................................................................................................... 28
Figura 15 - Esquema de la estructura del electrodo basado en un electreto angular [26].
..................................................................................................................................................... 29
Figura 16 - Esquema del diseño del generador plano rotacional. [28] .............................. 30
Figura 17 - Esquema del diseño del generador plano rotacional vista de sección. [5] ... 30
Figura 18 - Prototipo final del generador comparando el tamaño con una moneda [5]. 31
Figura 19 - Resultados con la prueba caminando (izquierda) y corriendo (derecha) [5].
..................................................................................................................................................... 31
Figura 20 - Esquema del transductor termoeléctrico para aplicación en una muñeca
[30]. ............................................................................................................................................. 33
Figura 21 - Resultados del experimento en circuito abierto en reposo y movimiento
[30]. ............................................................................................................................................. 33
Figura 22 - Fotografía de la pulsera flexible en la muñeca [31]. ........................................ 34
Figura 23 - Transmisión de potencia con el rúter original [32]. ......................................... 36
Figura 24 - Resultados con el sensor de temperatura sin batería y con batería [32]. ...... 37
Figura 25 - Resultados con la cámara sin batería y con batería [32]. ................................. 38
Figura 26 - Cargador USB por WiFi [32]. .............................................................................. 39
Figura 27 – Algunos sistemas que forman una Smart City [42]. ....................................... 55
Índice de tablas
Tabla 1 - Comparativa de características de baterías y supercondensadores. [16] ......... 15
Tabla 2 - Energía obtenida en diferentes ambientes [31]. ................................................... 35
Tabla 3 - Usuarios, dispositivos y rúter cercanos por cada vivienda del estudio [32]. .. 38
Tabla 4 - Resultados de WattUp 2015 [36]. ........................................................................... 40
Tabla 5 - Resumen aplicaciones con ventajas y desventajas. ............................................ 42
Tabla 6 - Valores recogidos de las figuras 24 y 25 para distancias específicas. ............... 50
Tabla 7 - Resumen energético de las distintas aplicaciones mencionadas previamente.51
Introducción
El internet de las cosas es una forma de dar vida a los objetos cotidianos para que
se puedan comunicar tanto entre ellos como con nosotros. Hace 30 años, esto parecería
algo totalmente innecesario y quizás, imposible. Sin embargo, los dispositivos
inteligentes han entrado de lleno en nuestras vidas y la comodidad que nos ofrecen en
nuestro día a día hace impensable su desaparición. Según un estudio realizado por Cisco
Internet Business Solutions Group (IBSG) [1], a partir de la aparición del internet de las
cosas alrededor de 2008, el uso de dispositivos creció considerablemente entre la
población. De tal forma que empezaron a existir más dispositivos conectados que
personas.
La entrada del internet de las cosas a nuestra vida vino acompañada de un
desarrollo de los dispositivos muy rápido. Los teléfonos móviles pasaron de ser grandes
aparatos que solo servían para llamar y mandar mensajes, a un rectángulo de menos de
1 cm de grosor que nos ofrece prácticamente lo mismo que un portátil. Además, en los
últimos años se ha incrementado el uso de dispositivos como relojes inteligentes o cascos
inalámbricos. Todos ellos forman parte de los dispositivos de bajo consumo energético
o más conocidos como dispositivos ULP (ultra low power). Con ello, las baterías han
tenido que adaptarse a los nuevos tiempos y ofrecer energía en unas medidas muy
reducidas.
El primer problema que nos encontramos es que las baterías tienen fecha de caducidad
y debido al pequeño tamaño de los dispositivos es muy complicado cambiarlas. Todo el
mundo ha experimentado ese gran cambio en los teléfonos móviles, cuando la batería
dejo de ser extraíble [2] y, por lo tanto, sustituible fácilmente si no funcionaba
correctamente. En otras palabras, cuando la batería de cualquiera de mis dispositivos
muera, tendré que enviar el dispositivo a cambiar la batería o comprar otro.
El segundo problema sería el alto consumo de energía por parte de un solo individuo o
mejor dicho, la energía que debe obtener el individuo para su comodidad directa. La
energía inconsciente que consume una persona al día durante su interacción en el
mundo es muy alta, ya sea usando los semáforos de la calle, el ordenador en la oficina o
con todos los electrodomésticos del hogar. La demanda energética en España es tan alta
que deben comprar energía a otros países [3]. Por otro lado, hay otra energía que
consumimos de la que somos claramente conscientes.
Hoy en día hay muchas personas que en su día a día usan un smartphone, una
tablet, una smartband, un laptop, etc.; todos ellos con necesidad de tener batería el tiempo
que estamos fuera de casa. Toda esta dependencia lleva consigo una nueva
responsabilidad: mantener mis dispositivos con batería suficiente. Esta dependencia ha
llegado incluso a crear una nueva enfermedad para aquellos que el quedarse sin batería
en su móvil, entre otras cosas, les produce ansiedad: nomofobia [4]. Los parches por
parte de la sociedad ante este problema parece que fueron poner enchufes abundantes
en aeropuertos, estaciones y lugares donde la gente tiene largas esperas. Además del uso
de baterías externas o powerbanks.
Motivación y objetivos
Viendo la necesidad en la que se ha convertido disponer de energía las 24 horas
del día y el gran uso de dispositivos inteligentes por parte de la población, se pretende
estudiar una forma de autoabastecimiento de estos dispositivos que resulte interesante
a nivel energético y a nivel de viabilidad de la implantación. El desarrollo de estos
nuevos sistemas podría frenar la gran dependencia energética de fuentes agotables de
energía y frenar el impacto ambiental que se produce en su obtención. Además de añadir
la comodidad de tener energía libre del ambiente y no tener que depender de enchufes
ni cables.
Partimos de las energías renovables en el mundo de los microvatios (µW) y
estudiamos cómo obtienen la energía estos sistemas y qué diferentes formas hay para
conseguirla del mundo que nos rodea. Además, estudiaremos algunas aplicaciones
existentes de los métodos mencionados con el fin de comparar su aporte energético. Pese
a las diferentes técnicas que existen, una de las más interesante es la energía por
radiofrecuencia por su gran presencia en el entorno e independencia. Por último, se
pretende estudiar qué futuro podría tener dentro de una Smart City estos métodos.
Energía de cosechamiento
El término energy harvesting hace referencia al proceso por el cual obtenemos energía del
ambiente con el fin de acumularla o utilizarla para sistemas que tengan bajo consumo.
Como todos sabemos cosechar es la acción que se realiza en la agricultura cuando se
plantan semillas y se esperan a que maduren para recogerlas. Luego, recibe este nombre
porque esperamos a que el dispositivo almacene cierta cantidad de energía para luego
usarla en una función específica, véase calcular la temperatura del agua cada hora. No
en todos los casos el sistema almacena la energía, a veces, simplemente la transforma y
la transfiere [5].
Estos sistemas de bajo consumo pretenden ser totalmente autónomos, ya que se
alimentan de energías residuales del ambiente y no de una fuente de alimentación
eléctrica convencional. Además de que son capaces de administrar esa energía
almacenada y suministrarla cuando sea necesario [6].
Estructura genérica de los sistemas energy harvesting
Los sistemas de recolección de energía suelen estar formados por cuatro partes
independientemente del tipo de sistema, realizan las mismas funciones:
Fuente de alimentación
Aunque no están dentro del sistema de recolección en sí, necesitamos una fuente de
energía con la que poder adaptar el diseño del resto del sistema.
Algunos de las fuentes de energía [7][8] más usados son:
• Térmica. La energía proviene de calentadores, fuentes de fricción o diferencias
de temperatura.
• Mecánica. Estas fuentes son generadas por vibraciones o tensiones mecánicas.
• Electromagnética o radiofrecuencias. Estaciones base, Wifi, radio, TV, imanes,
etc.
• Medio ambiente. Las más conocidas y las que ofrecen mayor cantidad de energía
como son el viento, las corrientes de agua o la energía solar.
• Lumínica o en forma de luz. Energía capturada por sensores proveniente de las
luces artificiales.
• Cuerpo humano. Energía proveniente de movimientos del cuerpo como caminar
o de la temperatura corporal.
Captación y tratamiento
Necesitaremos un sistema que recoja la energía suministrada por la fuente. La energía
podrá ser una corriente continua (DC) o una corriente alterna (AC). Las primeras
generan una corriente y una tensión constante, y las segundas producen una señal no
continua.
Cuando obtengamos esa energía necesitamos un elemento que transforme la energía
obtenida en energía eléctrica útil, es decir, necesitamos modificar la energía que
recibimos para que sea válida para la aplicación. El tipo de energía que es captada suele
tener tres características que complican el sistema: una potencia no continua y con
interrupciones, una potencia de media muy baja y una tensión de salida no regulada [6].
Por lo general, para poder suministrar la energía se tiene que convertir a corriente
continua para poder usarla en el sistema y aplicación final. Según el tipo de corriente
que queramos modificar tenemos:
• Sistemas rectificadores AC / DC. Si la corriente que está siendo captada es una
corriente alterna tenemos que convertirla a corriente continua. El convertidor
puede ser de media onda o de onda completa. La diferencia entre ambos es que
el primero elimina la parte negativa o la positiva de la señal en alterna y el
segundo lo que hace es transformarla a su inverso, es decir, lo señal positiva se
vuelve negativa o viceversa [10].
• Sistemas convertidores DC / DC. Una vez conseguida la corriente continua, se
tiene que conseguir que la tensión tenga el nivel necesario para poder alimentar
a la aplicación. Estos convertidores se suelen usar para adaptar el voltaje a los
requisitos del sensor o batería.
Almacenamiento
Un módulo que sea capaz de almacenar la energía recogida y administre su uso
dependiendo del elemento que va a abastecer. En estos sistemas se suele obtener poca
cantidad energía residual, luego se suele almacenar hasta tener la suficiente para que el
sistema o la aplicación pueda actuar. Los dos sistemas más usados son:
Almacenamiento en baterías o microbaterias
Una batería es un elemento que se encarga de acumular energía eléctrica para luego
usarla. Las baterías pueden ser de dos tipos recargables o no recargables, y a partir de
ahí se pueden clasificar según los materiales con los que se fabrican. En este caso las
baterías más apropiadas serían las recargables, dado que los sistemas de harvesting
suelen tener pequeño tamaño y el cambio constante de baterías sería engorroso y difícil.
Si ahondamos en el tema de carga de batería y para saber en cuánto tiempo se recargaría
la batería de nuestro sistema, debemos fijarnos en la velocidad de la misma que viene
definida por la capacidad en miliamperios/hora (mAh). Si tengo una batería de 600 mAh
tardaría en cargarla con una fuente de 600 A (amperios) un total de 1 hora. El tiempo va
aumentando conforme bajemos los amperios [11].
En los últimos años ha cogido gran importancia fijarse en la capacidad de la batería por
la necesidad de estar conectado en cualquier circunstancia. Por ejemplo, con el aumento
del uso de Powerbanks o baterías portátiles. Los miliamperios/hora era un concepto más
técnico, pero con las nuevas necesidades la población está más informada. Además, con
el aumento de estas nuevas necesidades aparece el desarrollo de las microbaterías. Cada
vez usamos más dispositivos pequeños, véase relojes inteligentes o un simple mp3 que
va en la oreja, y necesitamos una batería muy pequeña con una capacidad de carga alta.
Por esto, las microbaterías están siendo foco de estudio para satisfacer la demanda y
lograr mejorar esta capacidad [12].
Figura 1 - Imagen de una microbatería [13].
Almacenamiento en supercondensadores
El objetivo de un condensador, al igual que las baterías, es el de almacenar energía. En
este caso un condensador está formado por dos placas de metal que están separadas por
un dieléctrico, el cual puede ser líquido, gaseoso o sólido o la combinación de estas
formas. Para calcular la capacidad de un condensador tenemos que hacer uso de la
ecuación (1) [11].
𝐶 = 𝜀𝑜𝜀𝑟𝐴
𝐷 (11)
La capacidad del condensador (C) depende de la permitividad en el espacio (𝜀𝑜), la
permitividad relativa del material dieléctrico (𝜀𝑟), el área de la superficie de cada placa
o electrodo (A) y la distancia entre placas o electrodos (D). La permitividad nos indica
cómo el campo eléctrico afecta al medio y viceversa [14]. Para obtener mayores
capacitancias se usan electrodos con mayor área en superficie y dieléctricos menos
gruesos.
En este caso hablamos de supercondensadores o ultracondensadores, los cuales
funcionan similar a un condensador electrostático común, pero tienen diferencias. Su
principal diferencia es que poseen un electrolito para poder almacenar la carga
electrostática. El electrolito es un líquido de tipo iónico, el cual posee alta conductividad
y concentración iónica, además de permitirnos trabajar a voltajes en torno a los 3.5 V
[15]. Estos supercondensadores se asemejan más a una batería que a un condensador
porque almacenan energía por medio de iones y reacciones redox de superficie. La
reacción redox ocurre cuando los electrones de los elementos químicos se transfieren y
provocan cambios en sus estados de oxidación. Al disolver moléculas redox en el
electrolito ocurre esta reacción en la que se crea una pseudocapacitancia, lo que permite
que se aumente la capacitancia del supercondensador. Estos condensadores son cada
vez más prometedores por las posibilidades de aumentar su capacitancia y voltaje.
Comparativa: baterías o supercondensadores
A la hora de comparar baterías y supercondensadores debemos fijarnos en dos
características: densidad de energía y densidad de potencia. Estas dos características
hacen que la elección entre uno de estos dos dispositivos sea algo compleja, puesto que
ninguno de los dos es mejor que el otro. Como se podrá apreciar en la Tabla 1, las baterías
tienen mucha más densidad de energía que los supercondensadores, pero mucha menos
densidad de potencia. Por lo tanto, las baterías son capaces de almacenar mucha más
energía, pero la transferencia de la misma fuera de la batería es menor.
Figura 2 - Gráfica comparativa de tratamiento de energía en ambos dispositivos. [11]
Como podemos observar en la figura 2, la energía específica o densidad de energía es
mucho mayor en las baterías. Sin embargo, la densidad de potencia se mantiene muy
constante. En el caso de los supercondensadores esta densidad de potencia es una recta
que disminuye. Cuanto mayor es la energía almacenada más baja es la potencia con la
que se transfiere la misma.
Tabla 1 - Comparativa de características de baterías y supercondensadores. [16]
BATERÍAS SUPERCONDENSADORES
Densidad de energía 20-100 Wh/Kg 1-10 Wh/Kg
Densidad de potencia 20-200 W/Kg 1000-10000 W/Kg
Rango de energía Hasta 100 MWh
Rango de potencia 1 kW-30 MW
Capacidad 1-5000 F
Tensión de trabajo 1-500 V
Número de ciclos de carga
y descarga
1000-3000 1000000
Tiempos de carga y
descarga
X horas X minutos y segundos
Rendimiento 75%-99% 95%-99%
Precio Depende del material Alto
En la tabla 1 se presentan otras características interesantes de estos dos dispositivos. Se
destaca la diferencia en número de ciclos de carga entre los dos dispositivos, puesto que
los supercondensadores pueden cargarse y descargarse 500 veces más que las baterías.
Además, los supercondensadores se cargan mucho más rápido que las baterías. Sin
embargo, su descarga también es mucho más rápida. Luego, cabe pensar que, aunque
sus ciclos de carga sean mucho mayores al mismo rendimiento, deberemos cargar los
supercondensadores más veces. Por otro lado, en el caso de las baterías ciertos materiales
son tóxicos y si estas sufren altas temperaturas o están viejas se pierde capacidad de
almacenamiento. Al contrario, los supercondensadores no poseen elementos químicos,
resisten a altas temperaturas manteniendo sus características y no necesitan
mantenimiento.
Por lo tanto, vemos que una batería puede almacenar mucha más energía, pero la
transfiere de una forma más lenta y constante. Un supercondensador puede almacenar
mucha menos energía, pero la transfiere de una manera mucho más rápida. Luego, a la
hora de decidir si usaremos batería o supercondensador tendremos que ver si nuestro
sistema necesita energía de forme intermitente o de forma constante, pues que respecto
a las otras características ambas tienen ventajas e inconvenientes.
Métodos de recolección de energía
En esta sección nos vamos a centrar en los métodos de recolección de energía para
sistemas de bajo consumo energético más importantes.
Dentro de los métodos de recolección que recogen energía de las vibraciones o el
movimiento, los más conocidos son los generadores piezoeléctricos, los generadores
electroestáticos y los generadores electromagnéticos. Por otro lado, existen otros
métodos con los que se obtiene energía a partir de cambios de temperatura o la luz que
recibe un sensor.
Generadores piezoeléctricos
El efecto piezoeléctrico es la capacidad que tienen algunos materiales (cristales y algunas
cerámicas) de generar potencial eléctrico. Un dispositivo piezoeléctrico es capaz de
generar una tensión eléctrica o voltaje cuando es golpeado o deformado. Cuando se
produce una de estas dos acciones, las cargas internas (positivas y negativas) del
piezoeléctrico se reordenan y con ello se crea un potencial eléctrico [11]. Este potencial
eléctrico es proporcional a la deformación que haya sufrido el piezoeléctrico y depende
de la dirección en la que se aplica la deformación. Los sistemas piezoeléctricos suelen
funcionar de dos maneras dependiendo la dirección en la que se aplica la deformación.
En la figura 3 vemos la opción a), donde la fuerza se aplica en la misma dirección que la
de polarización, como en la compresión de un bloque piezoeléctrico que tiene electrodos
en las superficies superior e inferior. En la figura 3 vemos la opción b), donde la fuerza
se aplica en el lateral y en dirección perpendicular a la dirección de polarización [17].
Figura 3 - Modos de piezoeléctricos: opción a (izquierda) y opción b (derecha) [17].
Un modelo básico de un generador que obtiene energía por medio de un dispositivo
piezoeléctrico se puede observar en la figura 4. Posee una impedancia interna de tipo
inductiva, suelen tener una fuente de tensión alterna y un condensador y resistencia
conectados en serie.
Figura 4 - Modelo genérico de un generador piezoeléctrico [11].
Los materiales piezoeléctricos suelen actuar como una fuente de energía de baja corriente
y alto voltaje. El voltaje en circuito abierto se puede calcular con la ecuación (2) [11].
𝑉𝑂𝐶 = − 𝑑 · 𝑡
𝜀· 𝑇 (2)
donde d es el coeficiente de deformación piezoeléctrica, t es el espesor del material
piezoeléctrico, T es la tensión mecánica y ε es la constante dieléctrica del material
piezoeléctrico. Esta salida suele ser en corriente alterna, luego deberá ser rectificada,
como se explicó en apartados anteriores, con un rectificador AC/DC.
Generadores electroestáticos
La base de este tipo de generador es un condensador variable que varía por vibraciones
mecánicas. Para conseguir energía eléctrica de la energía mecánica, la carga del
condensador se desplaza del condensador a un dispositivo de almacenamiento o a la
carga. Este hecho ocurre a medida que disminuye la capacitancia o de forma continuada
si la carga del condensador no está restringida [17].
Existen tres tipos de generadores electroestáticos:
a. El plano de superposición o in-plane overlap, donde varía el área de
solapamiento entre los dedos del electrodo. Figura 5a.
b. El plano de cierre de hueco o in-plane gap closing, donde varía el espacio
entre los dedos del electrodo. Figura 5b.
c. El fuera de plano o out-of-plane gap closing, donde varía el hueco entre
dos grandes placas de electrodos. Figura 5c.
Los tres tipos pueden funcionar tanto en ciclos de carga limitada como en ciclos de
voltaje limitado. Normalmente se suele trabajar con ciclos de voltaje limitado porque
proporcionan mayor energía que los otros. Sin embargo, el nivel de energía de los ciclos
de carga limitada se puede igualar a los de voltaje al añadir un condensador en paralelo
con el condensador principal del sistema de recolección de energía. Esto se consigue si
el condensador en paralelo se aproxima al infinito, limitando el voltaje del otro
condensador.
Figura 5 – Tipos de generadores electroestáticos: (a) plano de superposición, (b) plano de cierre
de hueco, (c) fuera de plano [17].
En la figura 6 podemos ver un ejemplo de un generador electrostático que usa carga
limitada. Podemos ver el condensador en paralelo (𝐶𝑝𝑎𝑟) que limitaría la tensión
máxima, el condensador de almacenamiento (𝐶𝐿), el condensador variable (𝐶𝑉) que sería
uno de los tres tipos mencionados antes y una carga (𝑉𝑖𝑛)que puede ser una batería o un
condensador cargados.
Figura 6 - Ejemplo circuito genérico de un generador electroestático [10].
Lamentablemente, estos generadores tienen que tener una tensión o carga inicial de
polarización para poder funcionar. Además, su impedancia de salida suele ser muy alta,
luego no son muy útiles como fuente de alimentación.
Generadores electromagnéticos
Este método se basa en la ley de inducción electromagnética de Faraday, la cual defiende
lo siguiente: el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la
rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie
cualquiera con el circuito [19]. Dicho de otra forma, si el flujo magnético en una
superficie delimitada por un conductor cambia, se generará una corriente eléctrica
inducida en un circuito cerrado.
Figura 7 - Dos tipos de generadores electromagnéticos [17].
Los generadores electromagnéticos se componen de una bobina que hace la función de
conductor y unos imanes que producen el campo magnético. Se puede obtener la energía
de dos formas, figura 7, por el desplazamiento de los imanes o por el de la bobina. En el
caso de la figura 7a, el campo magnético no cambia, sino que se genera por el
movimiento de los imanes y la bobina. En el caso de la figura 7b, el campo magnético
cambia según la distancia de la bobina respecto del imán.
Figura 8 - Modelo genérico de un generador electromagnético [11].
El modelo de generador electromagnético se asemeja mucho al de un generador
piezoeléctrico (figura 4), pero en este caso la impedancia interna es inductiva. Podemos
ver un ejemplo de un circuito de un generador electromagnético en la figura 8. Éste se
compone de una fuente de tensión de tipo alterna, conectada en serie con la impedancia
inductiva y una resistencia.
Generadores termoeléctricos
La conversión de energía térmica en energía eléctrica es posible gracias a una propiedad
en el material: efecto Seebeck. Este fenómeno ocurre cuando inducimos un voltaje (V) en
proporción a un gradiente de temperatura aplicado (∆𝑇) como se muestra en la ecuación
(3) [18]:
𝑉 = ∝· ∆𝑇 (3)
donde α es el coeficiente de Seebeck. Dicho de otra forma, cuando dos uniones hechas
por conductores diferentes se mantienen a una temperatura diferente, se produce una
tensión entre ellas.
Por lo general, el efecto Seebeck se usa para medir temperaturas. Sin embargo, se puede
desarrollar una corriente de salida suficiente para encender algún sensor o dispositivo.
Por ejemplo, por medio de un voltaje en corriente continua en serie con una resistencia
interna, como podemos ver en la figura 9. En el caso de que la resistencia de carga (𝑅𝐿𝑂𝐴𝐷)
fuera una batería o un condensador, habría que añadir un diodo entre el generador y la
carga para que no llegue la energía de la batería al generador termoeléctrico cuando la
energía no se este acumulando. Cuando la resistencia de carga es igual a la resistencia
del generador termoeléctrico, la potencia del sistema será máxima [11].
Figura 9 - Modelo genérico de generador termoeléctrico [11].
Los transductores térmicos suelen estar formados por varios termopares conectados en
serie y térmicamente en paralelo, a lo que llamamos termopila. Se puede ver en la figura
10 un termopar a la izquierda [18].
Figura 10 - Esquema de un termopar (izquierda) y una termopila (derecha) [18].
Consta de dos columnas o pilares de materiales diferentes (semiconductores) conectadas
por un material metálico. Si la parte baja y la parte alta de los pilares se encuentra a
diferente temperatura, se produce una tensión entre las partes bajas de ambos pilares (A
y B) tal y como se explica en el efecto Seebeck. Los termopares se colocan entre una placa
caliente y una fría como en la figura 10, donde podemos ver una termopila en la derecha.
Generadores fotovoltaicos
Este método obtiene energía por medio de células solares, las cuales se basan en el efecto
fotoeléctrico para lograrlo. Este fenómeno ocurre cuando los fotones o partículas de la
luz, chocan con los electrones de cierto metal arrancando sus átomos. Cada fotón posee
una cantidad de energía que al chocar con el electrón es absorbida por este mismo. Se
produce un movimiento de los electrones dando lugar a que se genere una corriente
eléctrica, si el movimiento no se produce la energía se disipa en calor [11].
Figura 11 - Modelo genérico de un generador fotovoltaico [11].
Un ejemplo de circuito de una célula solar puede ser el de la figura 11. Este circuito se
compone de una fuente de corriente (𝐼𝑃𝐻𝑂𝑇𝑂) que está en paralelo con un diodo y una
resistencia de carga (𝑅𝐿𝑂𝐴𝐷). Esta resistencia interna no tiene un valor constante, sino que
va en función de la intensidad que se obtenga de la fuente solar y el consumo de
corriente. Su valor oscila de los 10 a los 10000 ohmios, un rango mucho más amplio que
el de las resistencias en baterías [11].
Generadores RF (radiofrecuencia)
Un método que podría ofrecer grandes posibilidades es la recolección de energía por
medio de radiofrecuencia proveniente de servicios de telecomunicaciones, como son
GSM o señales WiFi.
Por lo general, estos sistemas se componen de una antena receptora, una red de
adaptación de la señal y un rectificador de la misma. Este sistema se suele denominar
como rectena. Cuando las ondas electromagnéticas llegan hasta la antena, esta las captura
y mediante un circuito de adaptación logra amplificar y ajustar el voltaje que recibe para
transformarlo a corriente continua en el rectificador [20].
Figura 12 - Esquema de un sistema por radiofrecuencia [20].
Las estaciones radioemisoras abundan por todo el territorio y podrían proporcionar una
fuente de energía continua y estable. Si pensamos en que un teléfono móvil es una fuente
de energía por radiofrecuencia y vemos la cantidad que hay a nuestro alrededor, vemos
lo fácil que sería obtener energía a todas horas. Sin embargo, los sistemas que existen
hoy en día no logran captar un nivel de densidad de potencia alto, puesto que, si no se
encuentra el emisor de radiofrecuencia muy cerca del receptor, la señal pierde potencia.
En el caso de una estación base GSM a una distancia entre 25 y 100 metros, los niveles
de densidad de potencia son de entre 0,1 a 1 mW/m2 [18]. En el caso de WLAN serían
valores aún menores. Estos valores no son suficientes para poder abastecer
inalámbricamente a sensores algo alejados.
Pese a estos valores, la captación de energía se usa bastante en sistemas pasivos de
identificación de radiofrecuencia (RFID) o a corta distancia, para recargar GPS.
Aplicaciones reales
A continuación, vamos a explicar algunos ejemplos de aplicaciones en las que se
han usado estos métodos para conseguir energía limpia e ilimitada. Estos ejemplos son
algo más básicos o simples teniendo en cuenta el impacto real al que podrían llegar este
tipo de dispositivos [20]. Podrían mejorar edificios, el medio ambiente, el sistema de
salud o simplemente nuestro día a día, sólo por la información que aportan y el ahorro
energético que permiten.
Aplicaciones con piezoeléctricos
El método por medio de sensores piezoeléctricos es uno de los que más
aplicaciones tiene. Una de las aplicaciones que parece más interesante para el futuro es
la creación de una placa que al ser pisada genere energía. Una aplicación basada en este
diseño usa piezoeléctricos de tipo PZT (Titanato de Zirconio y Plomo) y se obtiene
energía por la presión de los mismos [21]. Uno sólo de estos transductores genera de 10
a 20 voltios y de 100 a 200 µA, por ello, se conectaron 200 de estos transductores en
paralelo para aumentar la corriente obtenida. Además, se observó que se producía una
caída de voltaje porque la presión que sufría la baldosa o superficie al ser pisada no era
igual en toda su área y los transductores no obtenían grandes corrientes. Para
solucionarlo se colocaron topes de gel de silicona en el centro de los transductores para
que se presionaran todos los transductores al pisar en la superficie. Se pueden observar
los topes de silicona en la figura 13. La potencia total que obtenían al pisar la superficie
era de 450 mW y se dieron cuenta que la potencia obtenida era mayor si la presión del
piezoeléctrico era continua. Finalmente, consiguieron cargar una batería de polímero de
litio de 600mAh en un tiempo aproximado de 7 horas.
Figura 13 - Topes de gel de silicona colocados en los diferentes transductores piezoeléctricos
[21].
Una idea similar es la implantación de un transductor piezoeléctrico en el
interior de un zapato que genera energía al caminar [22]. El transductor se colocaría en
la suela del zapato y con cada pisada transmitiría energía, en este caso, a una batería de
litio de un teléfono móvil. Los resultados del experimento con esta aplicación fueron
capaces de cargar la batería con capacidad de 800mAh en casi 3 horas cuando una
persona va caminando y en 2 horas cuando una persona va corriendo. Tanto en este caso
como en el anterior se alteró la corriente generada por el transductor para mejorar los
resultados con el uso de diodos Schottky o transistores Darlington. El primer caso hace
uso de diodos Schottky por su rapidez de conmutación y su baja caída de voltaje de 0.3
V, lo que reduce gastos de energía. Los transistores Darlington se encargan de amplificar
la corriente ya transformada en corriente continua.
Otras aplicaciones en las que se ha experimentado el uso de piezoeléctricos hacen
uso de las carreteras permitiéndonos almacenar la energía cinética de los coches en
movimiento. Un ejemplo es el estudio de la energía que son capaces de almacenar los
transductores piezoeléctricos al colocarlos debajo del pavimento [23]. También
podríamos aprovechar los clics que generamos en el ratón de nuestro ordenador y
recoger energía de los movimientos que hace nuestro dedo en esa actividad [24] o
recoger la energía cinética de la caída de las gotas del agua de la lluvia [25].
Aplicaciones con electrostáticos
En el caso de las aplicaciones por transductores electrostáticos nos encontramos
con dos tipos: sin electrodo y con electrodo. Los primeros necesitarían una fuente externa
para polarizar el condensador al inicio de cada ciclo y el segundo permite mayor
independencia, ya que las capas de electreto adheridas al condensador permiten tener
cargas polarizadas durante algún tiempo [26].
La primera aplicación no se aplica a ningún aspecto de la vida real, aunque se
realiza un experimento para comprobar sus capacidades [27]. Se trata de un dispositivo
de 13 x 18 𝑚𝑚2 basado en el esquema “out-of-plane gap closing” o cierre de espacio
fuera del plano, el cual esta formado por dos placas paralelas que han sido fabricadas
usando técnicas de fabricación MEMS (Figura 14). Es un proceso por el cual la placa de
óxido de silicio (𝑆𝑖𝑂2) es modificada hasta su forma final para su uso en la aplicación. La
placa superior que funcionará como sistema resonante y que esta sujetada por 4 vigas en
voladizo o “cantilever beams” y la placa inferior estará recubierta por un material
electreto llamado CYTOP. Además, se han creado unos topes entre ambas placas para
evitar un colapso electroestático cuando haya altas aceleraciones de vibración.
Figura 14 - Esquema del dispositivo de recolección de energía electroestático de la aplicación
[26].
Finalmente, las placas se unen por los bordes de óxido de silicio (𝑆𝑖𝑂2),
manteniendo un espacio en la zona del electreto y la masa resonante para que se permita
el movimiento de esta última. Cuando la masa resonante se mueva por una vibración
externa cualquiera, la capacitancia que existe entre ambas placas variaría, aumentando
gracias al electreto adherido a la placa inferior. Para el experimento se ha colocado el
dispositivo en un agitador mecánico para producir esa vibración externa y se ha decidido
una resistencia de carga de 16 MΩ. El resultado es una potencia de salida media de 2.22
µW cuando se aplica una vibración con aceleración de 10.5 𝑚/𝑠2 a una frecuencia de
resonancia de aproximadamente 160 Hz.
La segunda aplicación de este tipo de transductor también hace uso de los
electretos y se quiere enfocar a implantes cardiacos y neuronales los cuales son
dependientes de baterías y deben cambiarse cada cierto tiempo. En este caso se basan en
un esquema angular como se puede observar en la figura 15 [26]. Ahora la capacitancia
está compuesta por dos capacitancias: una proveniente de cierre de espacio o “gap
closing” en los picos del electrodo y otra proveniente de la variación del espacio y de la
superposición del área en los laterales.
Figura 15 - Esquema de la estructura del electrodo basado en un electreto angular [26].
De esta forma la capacitancia aumenta de forma considerable respecto a la
anterior aplicación. El electreto usado es de óxido de silicio (𝑆𝑖𝑂2) y el ángulo óptimo
que han elegido en este experimento es de 5,74°. El dispositivo tiene unas medidas de
2,5 x 3,5 mm2 y es capaz de recoger 9.6 µW. Luego con un tamaño mucho menor y
aplicando otra topología en el transductor electroestático es capaz de generar mucha más
energía.
Aplicaciones usando electromagnetismo
Para esta aplicación se ha hecho uso de una aplicación anterior [28] que ha sido mejorada
después [5]. La aplicación es un diseño de un sistema rotacional plano no resonante. Se
basa en un generador de flujo axial destinado a pequeña escala, estos generadores suelen
tener múltiples pares de polos, imanes permanentes y bobinas. El generador que habían
propuesto primeramente está formado por un rotor y un estator. El rotor está formado
por múltiples pares de polos de imán permanente (PM). Este tipo de imán nos permite
mantener una parte del campo magnético creado con el movimiento una vez este ha
dejado de realizarse. El rotor se encarga de inducir voltaje al estator cuando se encuentra
girando. El estator es una bobina plana apilada en capas y con geometría radial [28]. La
masa añadida al lado del rotor se coloca para forzar el movimiento externo cuando la
persona portando el dispositivo se mueve, de esta forma se aseguran de que el rotor
reciba movimiento y comience a moverse [5]. En la figura 16. podemos ver un esquema
del generador de la primera aplicación, el diseño es igual para ambos casos.
Figura 16 - Esquema del diseño del generador plano rotacional. [28]
Para fabricar la bobina plana se crearon 10 capas de poliimida (PI) flexible con un
revestimiento en cobre que tuvieron un grosor final de 480 µm. Cada capa se conectó
individualmente con el objetivo de realizar pruebas y ver resultados. En cuanto al rotor
estará compuesto por 20 imanes permanentes (10 pares de polos) dispuestos a cada lado
de la bobina plana como se observa en la figura 17 Los imanes estarán montados en dos
discos de polimetilmetacrilato (PMMA) que están montados sobre un eje central. En el
exterior de ambos discos se colocarán dos masas de 1 gramo cada una. En la figura 18
podemos ver el prototipo final.
Figura 17 - Esquema del diseño del generador plano rotacional vista de sección. [5]
Figura 18 - Prototipo final del generador comparando el tamaño con una moneda [5].
A la hora de probar el generador se han realizado dos pruebas, una caminando y otra
corriendo. Además, se ha colocado el dispositivo en diferentes partes del cuerpo: cadera,
tobillo, rodilla, pecho, parte superior del brazo y codo. Con un dispositivo de recolección
de datos se ha recogido el voltaje generado. Por otro lado, se ha decidido colocar el
dispositivo verticalmente en el cuerpo del individuo porque así percibirá mejor el
movimiento actuando como la oscilación de un péndulo [5].
Figura 19 - Resultados con la prueba caminando (izquierda) y corriendo (derecha) [5].
En la figura 19 podemos ver a la izquierda los resultados finales de energía recogidos
caminando y la derecha los resultados corriendo. Los resultados se muestran en función
de la velocidad expresada en milla por hora (mph o mi/h) [29]. Para convertir de millas
por hora a kilómetros por hora km/h)) sólo tenemos que multiplicar el valor de las millas
por hora por 1’609344. Para fijarnos en los resultados vamos a coger un valor caminando,
por ejemplo 3 mph (4’8 km/h) y uno corriendo, por ejemplo 5 mph (8 km/h).
En la prueba caminando vemos que cuando posicionamos el dispositivo en la rodilla o
el tobillo obtenemos valores mayores de 50 µW y cuando lo posicionamos en las
extremidades superiores como el pecho los valores son mucho más bajos, rondando los
0’4 µW. Para el resto los valores están por encima de los 5 µW, aunque en la parte
superior del codo ha ocurrido una bajada justo a los 4’8 km/h que podría ser un caso
aislado porque el resto de resultados para esa posición son más elevados, tanto más lento
como más rápido. El valor máximo obtenido en este caso es posicionando el dispositivo
en el tobillo para una velocidad de 4 mph (6’4 km/h), este valor está por encima de los
470 µW.
En la prueba corriendo podemos observar que los resultados son bastante similares en
todos los casos, excepto para el caso del pecho cuyos resultados no superan 2 µW para
una velocidad de 8 km/h. Asimismo, para el caso de la cadera los valores han ido en
aumento, pero se aprecia una bajada muy pronunciada cuando nos acercamos a los 8
km/h. Esto también podría ser debido a causas externas, aunque no puedo confirmarlo.
En los otros casos los valores a 8 km/h se mantienen por encima de los 100 µW y el valor
máximo lo encontramos para el tobillo, otra vez, con un valor de unos 600 µW.
Por lo tanto, el lugar óptimo para situar este dispositivo sería el tobillo dado que ahí es
donde más energía se recoge.
Aplicaciones con termoeléctricos
Las aplicaciones que hacen uso de transductores termoeléctricos pueden ser de
dos tipos: rígidas o flexibles. En el caso de la siguiente aplicación se hace uso del método
flexible puesto que se pretende adherir un sistema con termoeléctricos a la muñeca
haciendo uso de la temperatura corporal [30]. Como se puede observar en la figura 20 se
trata de un total de 24 patas termoeléctricas que se dividen en módulos de dos. En total
son 12 módulos que se han conectado eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo.
Además, se ha utilizado una placa de circuito impreso flexible (FPCB) donde irán
conectados los termoeléctricos. Esta capa ha sido creada con huecos para mejorar la
flexibilidad del dispositivo y se añadido debajo una fina capa de poliimida (PI) que
funciona como aislante entre la muñeca y el dispositivo. El dispositivo tiene unas
medidas de 43 x 13 𝑚𝑚2.
Figura 20 - Esquema del transductor termoeléctrico para aplicación en una muñeca [30].
Para el experimento realizado en circuito abierto se hace uso de la diferencia de
temperaturas entre el exterior que será la fuente fría y la piel del individuo que será la
fuente caliente y se medirá en dos situaciones. La primera situación es con el individuo
en completo reposo y la segunda es añadiendo un movimiento del individuo tras estar
en reposo. Las condiciones son de 27°C la temperatura del individuo y 19°C la
temperatura ambiente, y la duración del experimento es de 1 minuto y 20 segundos. Los
resultados obtenidos se observan en la figura 21, donde se aprecia que la segunda
situación nos aporta un voltaje más alto que la primera. En la situación en reposo se
obtienen valores constantes en torno a los 3 mV y en la situación en movimiento se
obtiene un gran cambio al comienzo del movimiento y una fase constante durante el
movimiento con valores en torno a los 10,5 mV.
Figura 21 - Resultados del experimento en circuito abierto en reposo y movimiento [30].
En la realización del experimento real se ha conectado un diodo emisor de luz (LED) que
requiere un voltaje mínimo de 20 mV y un circuito DC-DC que posee un regulador para
la salida de tensión (VLDO). Además, un transformador hará crecer los valores de
tensión ofrecidos por los transductores hasta 100 veces. Se ha seleccionado un valor de
salida del VLDO de 2.2 V. En este caso la aplicación tiene unas medidas mayores por la
adhesión del circuito (68 x 18 𝑚𝑚2) y se ha probado con una temperatura exterior de
10°C y una temperatura corporal de 27°C. El resultado es favorable y el led se enciende,
luego habría que incrementar el número de módulos termoeléctricos para aumentar esa
tensión y que pudiera ofrecer el mismo resultado a temperaturas menos diferentes entre
ambiente y piel humana.
Aplicaciones con fotovoltaicos
Las aplicaciones que hacen uso de placas fotovoltaicas que son más conocidas
son las destinadas a grandes superficies. En nuestro caso, como hemos comentado
anteriormente, nos centramos en las aplicaciones a menor escala ya que nos interesan
aplicaciones totalmente autónomas. La siguiente aplicación se trata de una pulsera,
como en la aplicación del transductor termoeléctrico, que se ha diseñado con fines
médicos [31]. La pulsera está diseñada con células solares flexibles sobre una lámina de
cobre electrolítico (ED) a la que se ha adherido a una capa de poliimida (PI) para el lado
que está en contacto con la piel humana.
Figura 22 - Fotografía de la pulsera flexible en la muñeca [31].
Por un lado, se ha conectado un microcontrolador para procesar y transmitir la
información ofrecida por los sensores mediante tecnología Bluetooth. Por otro lado, se
ha conectado un circuito integrado para controlar perdidas y mejorar la eficiencia del
circuito y se ha almacenado la energía en una batería de litio. Esta batería transmite un
voltaje nominal de 3.7 V que es convertido por el circuito integrado a un voltaje de 3.3V.
En la figura 22 se puede ver esta aplicación que determina la frecuencia cardíaca y el
oxígeno en sangre cada hora. Respecto a los resultados que genera la aplicación, se han
realizado pruebas en tres escenarios diferentes: con luz interior, con luz exterior y con
luz exterior en un día soleado.
Tabla 2 - Energía obtenida en diferentes ambientes [31].
Illumination (Lux) Extracted Power (mW)
Luz interior
500 0’15
1000 0’32
Luz exterior día nublado 5000 1’33
Luz exterior día soleado 10000 16’5
En la tabla 2 se pueden apreciar los resultados obtenidos en la batería teniendo en cuenta
la energía que consume el circuito integrado. Por otro lado, tenemos que tener en cuenta
la energía consumida por la aplicación. En este caso se calcula la energía consumida al
medir el oxígeno en sangre una vez cada minuto, lo cual consume 321,16 µw y dura solo
5 segundos. El resto del tiempo la energía consumida en reposo será de 4,81 µw. Por otro
lado, una vez cada hora se enviará el resultado por Bluetooth. Finalmente, la energía
media consumida es de 324µw, lo que determina que la aplicación proporcionaría
energía suficiente para llevar a cabo las mediciones en escenarios por encima de los 1000
lux.
Aplicaciones con radiofrecuencia (RF)
Lo interesante de las aplicaciones de este tipo es la cantidad de puntos WiFi a
nuestro alrededor y el provecho que podríamos sacar de ellos. La siguiente aplicación se
basa en un sistema WiFi para abastecer sensores, una cámara y un sensor de
temperatura, y posteriormente abastecer un vecindario [32]. El primer problema que se
encuentran es que las transmisiones vía WiFi no se realizan de manera continua, luego
los cosechadores de energía no reciben el mínimo voltaje para funcionar. En una prueba
inicial con el rúter original se observa que no se obtienen los 300 mV mínimos para que
un convertidor DC-DC funcione (Figura 23).
Figura 23 - Transmisión de potencia con el rúter original [32].
Por ello, se deciden a crear un dispositivo capaz de alimentar estos sensores a partir de
las transmisiones WiFi existentes: PoWifi. Este dispositivo permite crear esa transmisión
continua de señal añadiendo pequeños paquetes de señal UDP (User Datagram Protocol)
en varios canales WiFi sin alterar la señal usada para los clientes del router. Este
dispositivo sólo añadirá el extra necesario cuando no se cumplan los niveles mínimos
para el recolector de energía. De esta forma cuando se transmita señal a un cliente WiFi
(valor mínimo de 300 mV), no se añadirán paquetes extra, luego la señal no se verá
alterada y el WiFi funcionará de manera normal. Además, los paquetes añadidos por
PoWifi se realizan a 54 Mbps, una velocidad bastante alta que permite un tiempo corto
de ocupación por parte de los paquetes en el canal por el que se están transmitiendo,
evitando alterar así la transmisión habitual de paquetes.
Por otro lado, han diseñado un recolector de energía capaz de recibir energía de los
diferentes canales WiFi en la banda 2’4 GHz minimizando las pérdidas de señal cuando
ésta es reflejada al incidir debido a desajustes de impedancia. Si la antena y el recolector
de energía tienen diferente impedancia, perderemos energía RF. La solución es añadir
una red de adaptación antes del rectificador y el convertidor DC-DC para que la
impedancia se ajuste a la de la antena lo máximo posible, debido a que este valor no es
constante. Se pretende adaptar el convertidor DC-DC para que tome parte en esa
adaptación limitando la variación de la impedancia que viene del rectificador.
Finalmente, la red de adaptación permitirá que el circuito permita igualar las
impedancias del rectificador y de una antena de 50 Ω, consiguiendo reducir las pérdidas
de energía a menos de 0.5 dB, lo cual es un buen resultado.
Las pruebas de este dispositivo se han realizado con un sensor de temperatura y una
cámara, ambos envían sus resultados con un microcontrolador. Las pruebas se han
realizado de dos formas distintas. Una primera prueba con los dispositivos sin batería,
y una segunda prueba con los dispositivos disponiendo de una batería. Para cada caso
se ha hecho uso de un convertidor DC-DC diferente.
En el caso de la prueba sin batería se precisa de un convertidor capaz de funcionar desde
los 0V, luego se hará uso del mínimo voltaje suministrado por el rúter que es de 300 mV.
Una vez el convertidor almacene los 2’4 V necesarios para que los sensores funcionen,
ésta será transmitida a los mismos. En el caso de la segunda prueba, se ha instalado un
chip que contiene, entre otras cosas, un convertidor que aumenta el voltaje, una cargador
o batería y un convertidor DC-DC que reduce la señal.
Figura 24 - Resultados con el sensor de temperatura sin batería y con batería [32].
Los resultados de las pruebas o experimentos se pueden observar en la figura 24 para el
caso del sensor de temperatura y en la figura 25 para el caso de la cámara. En el caso del
sensor de temperatura se ha medido cada cuanto tiempo se realiza una medición de la
temperatura y envío de esta información. Se observa que la opción con batería puede ser
usada por encima de los 8’5 m respecto del rúter y la opción sin baterías alcanza hasta
los 6 m. Por otro lado, los valores de las mediciones por segundo en distancias (entre 1.2
m y 6 m) medias son prácticamente iguales.
Figura 25 - Resultados con la cámara sin batería y con batería [32].
En el caso de la cámara se ha medido el intervalo de tiempo necesario para poder realizar
varias fotografías, es decir, el tiempo entre toma y toma, con respecto a la distancia del
rúter. Lo resultados nos muestran resultados similares al sensor de temperatura. En
ambos casos los resultados son similares, pero, la distancia para que funcione aumenta
en el caso del dispositivo con batería. En el caso de no tener batería, la cámara funcionaría
hasta a una distancia de 5.2 m del rúter y sería capaz de capturar una foto cada 35
minutos. En el caso de tener batería podría a estar a 7 m y capturar fotos en un intervalo
de tiempo similar al anterior. Además, se realiza un experimento posicionando el PoWifi
al otro lado de paredes de distintos materiales respecto de la cámara, pero a una distancia
muy cercana (1.5 m). El resultado es un funcionamiento similar que aumenta el tiempo
entre fotografías en materiales más absorbentes.
El último estudio realizado está pensado para implementar PoWifi a una mayor
escala y que sea capaz de abastecer diferentes casas haciendo uso de un único rúter
genérico. Se han instalado rúters PoWifi en un total de 6 casas para analizar su capacidad
durante 24 horas y a unos pocos metros del rúter original. Se ha decidido usar el canal 1
para el suministro de internet y todos los canales (1,6,11) para la transmisión de
paquetes. En la tabla 3 se pueden observar los dispositivos que harán uso de ese WiFi en
cada casa y otros rúters cercanos al mismo para estudiar su interferencia.
Tabla 3 - Usuarios, dispositivos y rúter cercanos por cada vivienda del estudio [32].
El estudio se centra en la ocupación de los paquetes en los canales mencionados. Los
resultados son una alta ocupación en todos los hogares (en algunos por encima del 100%)
y un reparto de paquetes no equitativo. Algunas veces en unos hogares había mayor
ocupación en un canal, lo que reducía la ocupación en otros hogares de ese canal.
Respecto a la experiencia de usuario, prácticamente todos los usuarios percibieron un
servicio normal, sin ninguna diferencia. Un usuario tuvo problemas de conexión durante
un corto periodo, pero deducen que es debido a factores externos porque el rúter original
también tuvo problemas de señal.
Figura 26 - Cargador USB por WiFi [32].
Por otro lado, crearon una pequeña antena con un USB para poder cargar dispositivos
que se puede ver en la figura 26 Se comprobó que situando la antena a unos 6 cm del
rúter PoWifi se consigue una corriente de 2.3mA y una carga de 40% al cabo de 2 horas
y media. Cierto es que este resultado no es lo ideal, pero podría ser el principio de
cargadores ambientes mucho más eficientes.
Otra aplicación mucho más avanzada es la desarrollada por un startup llamada
Energous [33]. Esta empresa ha desarrollado Wattup Mid Field, un transmisor que
permite enviar señales de radiofrecuencia (RF) a múltiples dispositivos y cargarlos a
distancia. Los dispositivos deberán tener un receptor específico instalado para poder
cargarse con las señales enviadas del transmisor, este receptor será de un tamaño
sumamente pequeño para poder ser instalado en móviles o audífonos. Esta transmisión
sólo se realizaría cuando el dispositivo necesitará carga, en otro momento se mantendría
en modo de espera [34]. Es la primera aplicación que obtiene certificación de la Comisión
Federal de Comunicaciones (FCC), por tanto, la que está más cerca de ocupar nuestros
hogares. Según ultimas noticias podría permitirnos cargar nuestros dispositivos a unas
distancias de hasta 0.9 m [35].
Existe un informe de Underwriters Laboratories (UL) donde prueban la
transmisión de energía de WattUp en el año 2015 [31]. Aunque la información es
relativamente antigua, no hemos encontrado información sobre los resultados actuales
de WattUp de una fuente más fiable. En la tabla 4 podemos ver los resultados
transmitiendo a un solo dispositivo y a múltiples dispositivos al mismo tiempo en
diferentes distancias.
Tabla 4 - Resultados de WattUp 2015 [36].
Prueba un dispositivo Prueba múltiples dispositivos
Distancia Potencia media Potencia media
0 – 1’5 m 5’5 W 6 W
1’5 – 3 m 3’7 W
3 – 4’5 m 1’06 W
Como podemos observar su potencia media es bastante alta, mucho más que la
aplicación de PoWifi.
Comparación de las aplicaciones: viabilidad
Primero vamos a comparar las aplicaciones en cuanto a su viabilidad para
implantarse en el día a día. En la tabla 5 podemos ver una tabla resumen de las
aplicaciones que hemos comentado y posibles ventajas y desventajas que encontramos
en ellas. En primer lugar, haciendo referencia a las aplicaciones mediante piezoeléctrico,
al haber buscado dos aplicaciones dependientes de un movimiento humano nos
encontramos con una ventaja/desventaja. Por un lado, es ventajoso controlar cuando
obtienes energía, pero por otro el suministro de energía sólo se obtiene con un trabajo
nuestro. En el caso de la primera aplicación podríamos instalar estas baldosas en un
suelo público y obtener energía de los viandantes, como ya hace la empresa Pavegen [37].
Desconocemos las características de la aplicación de Pavegen, pero en este caso, la
aplicación 1 necesita de muchos transductores y genera mayor energía en pisadas
controladas. Si instalamos este dispositivo en una vía pública lo que obtendrá serán
numerosas pisadas en cortos periodos de tiempo, luego la energía que suministrará no
será máxima. En el caso de la aplicación 2 su obtención de energía parece más enfocada
a un uso privado, ya que se instala en el zapato de un individuo. Esta aplicación nos
parece más interesante ya que, aunque dependa de lo que usemos el dispositivo podría
cargar dispositivos más pequeños, como un móvil o una pulsera inteligente, luego la
necesidad de energía será en momentos específicos. Aun así, si necesitamos energía y no
nos apetece caminar, dispone de un condensador que va recogiendo energía para
suministrarla cuando no se esté en movimiento. En el caso de los electroestáticos en
comparación con las demás aplicaciones lo más interesante es su tamaño. Sin embargo,
los resultados de energía, como veremos más adelante, son muy bajos. A pesar de todo,
la aplicación 4 parece factible para instalar en implantes humanos debido a su tamaño y
a que cumple las exigencias de energía que necesitan esos dispositivos. Siguiendo dentro
de las aplicaciones que funcionan por movimientos o vibraciones, tenemos la aplicación
5 basada en un generador electromagnético. Esta aplicación como veremos a
continuación ofrece una cantidad de energía altas pese a su pequeño tamaño. Al igual
que las aplicaciones del piezoeléctrico su energía depende de lo que nos movamos, ya
que se coloca en zonas del cuerpo. A diferencia de la aplicación 2, este dispositivo no
tiene una batería lo cual lo hace altamente independiente, pero nos limita obtener energía
si no estamos en movimiento.
Ahora vamos a ver esas aplicaciones cuya obtención de energía no depende de
un movimiento nuestro o externo. Las aplicaciones 6 y 7 han creado una pulsera que
obtiene energía de las diferencias de temperatura y de la luz, respectivamente. Ambas
nos parecen muy cómodas y nada engorrosas de llevar puestas, por sus materiales
flexibles y su tamaño. Sin embargo, el que la energía depende de factores externos hace
que sus resultados puedan ser muy variables. En el caso de la aplicación 6 se obtenía
mayor energía con grandes diferencias de temperatura, cosa que no siempre es posible
dado que hay lugares que la temperatura ambiente es bastante alta. En la aplicación 7 al
estar destinada a medir el oxígeno en sangre se ha provisto de una batería que controla
el suministro de energía, luego es posible que cuando no exista luz suficiente para
recoger energía la batería pueda suministrarla.
Tabla 5 - Resumen aplicaciones con ventajas y desventajas.
N.º Aplicación Generador Ventajas Desventajas
1[21]
Baldosa o base
que se sitúa en el
suelo y produce
energía al ser
pisada.
Piezoeléctrico
La energía
depende de lo
que usemos el
dispositivo.
La energía
recogida es
similar en cada
uso.
La energía depende
de lo que usemos el
dispositivo.
Difícil implantación a
gran escala.
Necesita muchos
transductores (200).
Pisadas intermitentes
no producen la
misma energía.
Tamaño: baldosa
2[22]
Piezoeléctrico
incrustado
dentro de un
zapato que
recoge energía
con cada pisada.
Piezoeléctrico
La energía
depende de lo
que usemos el
dispositivo.
La energía
recogida es
similar en cada
uso.
Fácil
implantación.
Posee un
condensador
para suplir
energía cuando
el dispositivo no
La energía depende
de lo que usemos el
dispositivo.
está recogiendo
energía.
Tamaño: cabe
dentro de un
zapato.
3[27]
Electreto con
esquema de
espacio fuera de
plano que recoge
energía al vibrar.
Electroestático Tamaño: 13 x 18
𝑚𝑚2
Resultados de
energía bajos.
No hay pruebas en
entorno real.
4[26]
Aplicación para
implantes
cardiacos y
neuronales
formada por un
electreto con
esquema angular
que recoge
energía al vibrar.
Electroestático
Tamaño: 2’5 x
3’5 𝑚𝑚2
Energía
suficiente para
implantes
cardiacos y
neuronales:
~10µW.
Resultados de
energía bajos para
otras aplicaciones.
5[5]
Generador de
flujo axial que se
sitúa en
diferentes zonas
del cuerpo y
genera energía
con el
movimiento.
Electro-
magnético.
Tamaño: 2 𝑐𝑚3.
Funciona sin
batería.
La energía
depende de lo
que usemos el
dispositivo.
La energía depende
de lo que usemos el
dispositivo.
No tiene batería.
6[30]
Pulsera que
genera energía
con las
diferencias de
temperatura
entre el exterior
y el cuerpo
humano.
Termoeléctric
o
Flexible.
Tamaño: 68 x 18
𝑚𝑚2
Dispositivo
cómodo
(pulsera).
Depende de la
temperatura exterior
y la del ser humano.
Resultados variables.
7[31]
Pulsera que mide
el oxígeno en
sangre usando la
energía
proveniente de
células
fotovoltaicas.
Fotovoltaico
Flexible.
Tamaño:
pequeño
(pulsera).
Dispositivo
cómodo
(pulsera).
Batería incluida
para controlar el
suministro de
energía.
Depende de la luz
que recibe.
Resultados variables.
8[32]
PoWifi.
Dispositivo que
altera la señal de
un rúter original
para enviar
energía a otros
dispositivos.
RF
No altera la señal
wifi original.
Resultados dependen
de la distancia.
Dependencia de otro
rúter.
9[33]
Wattup.
Dispositivo que
envía energía a
un dispositivo
que previamente
tiene instalado
un receptor.
RF
Altos niveles de
potencia.
Funciona en
multidispositivo.
Tecnología
avanzada. [38]
Falta información
sobre la tecnología.
Difícil integración.
Por último, tenemos las dos aplicaciones por radiofrecuencia. La aplicación 8 podría
abastecer perfectamente sensores de temperatura y cámaras sin alterar la transmisión de
paquetes original. Sin embargo, sus resultados dependen de la distancia a la que se
encuentra el dispositivo y de un rúter externo. En teoría, han probado que abastecería
diferentes casas sin problema alguno, pero no hay gráficas que recojan estos resultados.
Es el mismo caso que la aplicación 9, la cual está muy avanzada en cuanto a permisos
para salir al mercado [38] pero tenemos poca información relevante a sus características
o resultados. Esta aplicación tiene la desventaja de que hay que adaptar los dispositivos
que quieras cargar con un receptor.
En definitiva, respecto a sus características y no sus capacidades energéticas, las
aplicaciones más interesantes serían las de radiofrecuencia sobre todo por su capacidad
para cargar en multidispositivo. Sin embargo, las aplicaciones como piezoeléctricos,
electromagnéticos o fotovoltaicos parecen muy interesantes destinadas a situaciones
específicas en las que el tamaño de la aplicación sea importante.
Comparación de las aplicaciones: energía
Ahora vamos a calcular los vatios(W) y los vatios/hora (Wh) que generan las aplicaciones
que hemos comentado anteriormente para compararlas. En la tabla 7 podemos ver los
vatios en un instante y los vatios-hora que producen estas aplicaciones respecto a los
experimentos que se han realizado.
Los vatios-hora miden la cantidad de energía que se transmite en una hora [39]. En la
aplicación 1 [21] nos dicen que la aplicación es capaz de cargar una batería de 600mAh
en 7 horas, luego vamos a ver a cuantos vatios-hora (Wh) corresponde. Un amperio-hora
(Ah) es la corriente que fluye durante una hora y para cargar una batería de litio
necesitamos entre 5V y 7 V, según se indica en [21]. Consiguen un voltaje de 6V y una
corriente de 85mA. La batería que usaron en el experimento es de 600mAh y para
calcular los vatios-hora (Wh) haremos uso de la ecuación (5) que se basa en la ecuación
(4), donde la potencia (W) es igual a la corriente (A) por el voltaje (V) [39], pero
añadiendo la unidad de tiempo (horas).
𝑃 = 𝑉 · 𝐼 (4)
𝑊 · ℎ = 𝑉 · 𝐴 · ℎ (5)
𝑊 · ℎ = 6 (𝑉) · 600𝑚 (𝐴 · ℎ) = 3600𝑚𝑊ℎ
El resultado son 3600 mWh que podemos pasar a vatios-hora con la ecuación (6). Este
resultado serán los vatios que necesita la batería para cargarse en 1 hora [33].
𝑚 · 𝑊 · ℎ = 10−3 · 𝑊 · ℎ
𝑃 = 𝑊 · ℎ (𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠) = 3600 · 10−3 · 𝑊 · ℎ = 3′6 𝑊 · ℎ (6)
𝑃 = 𝑊 · ℎ (𝑒𝑛 1 ℎ𝑜𝑟𝑎) =3′6 𝑊 · 1 ℎ
6′4 · ℎ= 𝟎′𝟓𝟔𝟐𝟓 𝑾𝒉 (7)
Ahora tenemos los vatios-hora necesarios para cargar esa batería de 600mAh, cómo la
aplicación tardó 6’4 horas en realizar esta tarea debemos dividir el valor de vatios entre
ese valor para calcular los vatios-hora reales que es capaz de suministrar. El resultado se
puede ver en la ecuación (7). Para calcular los vatios en un instante usaremos la siguiente
ecuación:
𝑃 =0′5625 𝑊ℎ
3600 𝑠= 𝟏𝟓𝟔′𝟐𝟓µ 𝑾
En la aplicación 2 se usa un dispositivo en un zapato y se realizan dos
experimentos reales, uno caminando y otro corriendo [22]. Se realiza la misma prueba
que antes, el tiempo que tardaría en cada situación en cargar una batería de 800mAh que
necesita un voltaje de 4’2V para ello. Hacemos uso de las ecuaciones anteriores para
calcular los vatios-hora caminando y corriendo:
𝑃 = 𝑊 · ℎ = 4′2 (𝑉) · 800𝑚 (𝐴 · ℎ) = 3360𝑚 𝑊 · ℎ
𝑃 = 𝑊 · ℎ (𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠) = 3360 · 10−3 · 𝑊 · ℎ = 3′36𝑊 · ℎ
• Resultado en el experimento caminando:
𝑃 = 𝑊 · ℎ (𝑒𝑛 1 ℎ𝑜𝑟𝑎) =3′36 𝑊 · ℎ
2′6 · ℎ= 𝟏′𝟐𝟗 𝑾 · 𝒉
𝑃 = 1′29𝑊ℎ
3600 𝑠= 𝟑𝟓𝟖′𝟑µ 𝑾
• Resultado en el experimento corriendo:
𝑃 = 𝑊 · ℎ (𝑒𝑛 1 ℎ𝑜𝑟𝑎) =3′36 𝑊 · ℎ
1′8 · ℎ= 𝟏′𝟖𝟔 𝑾 · 𝒉
𝑃 = 1′86𝑊ℎ
3600 𝑠= 𝟓𝟏𝟔′𝟔𝟔µ 𝑾
En la aplicación 3 se ha obtenido la potencia media de salida que se obtiene al
variar la aceleración creada por la máquina vibradora [27]. Además, se ha hecho un
experimento con vibraciones aleatorias durante un periodo de tiempo. En el documento
se indica que la potencia de salida media son de 2’22 µW a una aceleración de 10.5
m/𝑠2[27]. Suponiendo que este resultado fuera similar en cada instante de tiempo y
asumiendo que es la potencia que se transmite cada segundo, podemos calcular los
vatios-hora con la ecuación 8. El resto de pruebas se calculan con la misma ecuación.
Lamentablemente, no se realizaron pruebas en una situación real.
𝑃 = 𝑊 · ℎ = 2′22µ𝑊 · 3600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 = 7992µ 𝑊 · ℎ (8)
En la aplicación 4 se ha realizado una simulación en MATLAB con la que se
obtienen 9’6µW con un desplazamiento máximo al vibrar [26]. No proporcionan otro
tipo de pruebas, asique no podemos calcular los vatios-hora. Sin embargo, si asumimos
un desplazamiento máximo durante un tiempo prolongado podríamos calcular un valor
relativamente aproximado de vatios-hora.
𝑃 = 𝑊 · ℎ = 9′6µ𝑊 · 3600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 = 𝟑𝟒𝟓𝟔𝟎µ 𝑾 · 𝒉
Respecto a la aplicación 5 se trataba de un dispositivo posicionado en diferentes
zonas del cuerpo que obtenía energía a través de un generador electromagnético [5]. Para
comparar con las otras aplicaciones usaremos los resultados máximos que se obtenían al
posicionar el dispositivo en el tobillo. Si suponemos que estos valores son los vatios en
un instante del tiempo, véase segundos, podemos calcular los vatios-hora con la
siguiente ecuación:
• Vatios-hora caminando:
𝑃 = 𝑊 · ℎ = 470µ𝑊 · 3600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 = 𝟏′𝟔𝟗 𝑾 · 𝒉
• Vatios-hora corriendo:
𝑃 = 𝑊 · ℎ = 600µ𝑊 · 3600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 = 𝟐′𝟏𝟔𝑾 · 𝒉
En la aplicación 6 tenemos dos pruebas, una en circuito abierto y otra real. La del
circuito abierto se realiza de dos formas diferentes como ya sabemos, una en reposo y
otra en reposo y luego caminando. En esta prueba la diferencia de temperatura era de 8
°C. Vamos a calcular los vatios-hora en reposo y lo del movimiento para comparar su
energía. El voltaje medido en circuito abierto (𝑉𝑂𝐶) es de 3mV en reposo y 10’5mW
caminando.
𝑅𝑖𝑛 =(𝑉𝑂𝐶 − 𝑉𝐿 ) × 𝑅𝐿
𝑉𝐿 (9)[30]
Para calcular la potencia de salida (𝑃𝐿) debemos usar la ecuación (9) que depende del
valor 𝑉𝑂𝐶 y la resistencia de carga (RL), que nos dicen que vale 1Ω [30]. Previamente
usaremos la ecuación (10) para calcular la resistencia interna (𝑅𝑖𝑛) del generador. Para
ello necesitamos el voltaje de carga que podemos averiguarlo porque suele ser 1.8 veces
menor que el valor del voltaje en circuito abierto [25].
𝑃𝐿 =𝑉𝑂𝐶
2
(𝑅𝑖𝑛 + 𝑅𝐿)2· 𝑅𝐿 (10)[30]
• Resultado en la prueba parado:
𝑉𝐿 =𝑉𝑂𝐶
1′8=
3𝑚𝑉
1′8= 1′67𝑚𝑉
𝑅𝑖𝑛 =(𝑉𝑂𝐶 − 𝑉𝐿 ) · 𝑅𝐿
𝑉𝐿=
(3 − 1′67 ) · 1
1′67= 0′796𝛺
𝑃𝐿 =𝑉𝑂𝐶
2
(𝑅𝑖𝑛 + 𝑅𝐿)2· 𝑅𝐿 =
(3 · 10−3)2
(0′796 + 1)2· 1 = 2′79µ𝑊
• Resultado en la prueba andando:
𝑉𝐿 =𝑉𝑂𝐶
1′8=
10′5𝑚𝑉
1′8= 5′8𝑚𝑉
𝑅𝑖𝑛 =(𝑉𝑂𝐶 − 𝑉𝐿 ) · 𝑅𝐿
𝑉𝐿=
(10′5 − 5′8) · 1
5′8= 0′81𝛺
𝑃𝐿 =𝑉𝑂𝐶
2
(𝑅𝑖𝑛 + 𝑅𝐿)2· 𝑅𝐿 =
(10′5 · 10−3)2
(0′81 + 1)2· 1 = 33′6µ𝑊
Ahora tenemos calculada la potencia que se obtiene en un momento determinado.
Vamos a calcular la energía que produce en ambas pruebas. Teniendo la potencia en un
momento y el tiempo durante el cual se transfiere esa cantidad de vatios podemos
calcular los vatios-hora usando la ecuación (11).
𝑃(𝑊 · ℎ) = 𝑃(𝑊) · ℎ (11)
• Resultado en vatios-hora para la prueba parado:
𝐷𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑢𝑒𝑏𝑎 = 80 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 ·1 ℎ𝑜𝑟𝑎
3600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠= 0′02 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
𝑃(𝑊 · ℎ) = 𝑃(𝑊) · ℎ = 2′79µ𝑊 · 0′02 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 0′0558µ𝑊ℎ
• Resultado en vatios-hora para la prueba andando:
𝐷𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑢𝑒𝑏𝑎 = 60 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 ·1 ℎ𝑜𝑟𝑎
3600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠= 0′016 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
𝑃(𝑊 · ℎ) = 𝑃(𝑊) · ℎ = 33′6µ𝑊 · 0′016 ℎ = 0′5376µ𝑊ℎ
Para el caso de la aplicación 7 se ha creado una pulsera que mide el oxígeno en
sangre cada minuto [31]. He decidido no calcular los vatios-hora en este caso porque la
luz que reciba la aplicación puede ser muy variable a lo largo del tiempo. Sin embargo,
podemos calcular cuanta energía necesita la pulsera para funcionar y ver en que rango
debería estar la luz en todo momento.
La aplicación consume una media de 324µW al día, luego calcular los vatios-hora será
solo dividir este valor con factores de conversión mediante la ecuación (12).
𝑃 = 𝑊 · ℎ = 324µ𝑊 ·1 𝑑í𝑎
24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠= 13′5µ𝑊ℎ (12)
Se observa que con una luz entre los 5000 y los 10000 lux se podría abastecer esta pulsera
para que funcionará enviando información cada hora.
En la aplicación 8 teníamos un rúter que añadía paquetes a la transmisión del
rúter original [32]. En esta aplicación se hicieron pruebas con sensores sin batería y con
batería. En este caso sólo vamos a calcular las pruebas sin batería, ya que nos interesan
más las aplicaciones autosuficientes y que no dependan de baterías. Además, los cálculos
se realizarán en unas distancias específicas para comparar los valores con otras
aplicaciones: 1’5, 3 y 4’5 metros. Para ello hemos buscado en las figuras 24 Y 25 los
valores que corresponden para cada caso. En la tabla 6 se puede ver recogido estos
valores. El cálculo de metros a pies ya se realizó anteriormente en base al documento
[29].
Tabla 6 - Valores recogidos de las figuras 24 y 25 para distancias específicas.
Distancias Sensor de temperatura Cámara
metros pies Lecturas/segundo Minutos entre foto y foto
1’5 4 20 4
3 9 8 10
4’5 15 5 15
Para calcular los vatios necesarios para los sensores sabemos que el sensor de
temperatura consume 2’77µJ en cada lectura y la cámara 10’4mJ en cada foto. Luego
sabiendo que 1 vatio también se puede expresar en julios el segundo (J/s) [24], podemos
calcular cuántos vatios totales consume. Vamos a hacer los cálculos para la primera
distancia, el resto de distancias serán del mismo modo calculadas. Como sabemos los
julios que se necesitan para una lectura y el número de lecturas que se hacen en un
segundo, podemos calcular los vatios necesarios en un segundo (Ecuación 13).
• Sensor de temperatura:
𝑃(1 𝑙𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎) = 1 · 2′77µ = 2′77µ𝑊
𝑃(20 𝑙𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑠 𝑎𝑙 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜) = 20 · 2′77µ = 55′4µ𝑊𝑎𝑙 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜 (13)
𝑃(𝑊 · ℎ) = 55′4µ · 3600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 (1ℎ) = 199440µ𝑊ℎ
Para el caso de la cámara se tarda un tiempo en hacer una fotografía, luego calcularemos
los vatios que recibe la cámara a cada segundo en función de los minutos que ha tardado
en prepararse para ello mediante la ecuación (14).
• Sensor con cámara:
𝑃(1 𝑙𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎) = 1 · 2′77µ = 2′77µ𝑊
𝑃(4 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠/𝑓𝑜𝑡𝑜) =𝐽
𝑠=
10′4𝑚
4 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 · 60 𝑠= 43′33µ𝑊(𝑎𝑙 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜)(14)
𝑃(𝑊 · ℎ) = 43′33µ · 3600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 (1ℎ) = 155988µ𝑊ℎ
Los cálculos de vatios-hora son orientativos, ya que no es seguro que la transmisión de
energía sea invariable.
Tabla 7 - Resumen energético de las distintas aplicaciones mencionadas previamente.
N.º Método Prueba Potencia
(µW)
Potencia/hora
(Wh)
1[21] Piezoeléctrico Carga batería 600mAh 156’25 0’5625
2[22]
Piezoeléctrico
Caminando (3-4
km/h) 333’33
1’29
Corriendo (10-12
km/h) 516’66 1’86
3[27]
Electroestático
Máquina que simula
vibración a 9’9 m/𝑠2 4’04 0’014544
Máquina vibratoria a
frecuencia aleatoria a
10’5 m/𝑠2
2’22 0’007992
Máquina vibratoria a
14’1 m/𝑠2 6’81 0’024516
4[26]
Electroestático
(electreto
angular)
Desplazamiento
máximo de 20µm 9’6 0’03456
Máquina en
vibraciones aleatorias 2’2 0’00000118
5[5]
Electromagnético
Caminando (6’4
km/h) 470 1’69
Corriendo (8km/h) 600 2’16
6[30]
Termoeléctrico
Parado 2’79 0’000000558
Andando 33’6 0’0000005376
7[31] Fotovoltaico
Dentro (500 – 1000lux) 210
Fuera sin sol (5000
lux) 1330
Fuera con sol (10000
lux) 16500
Pulsera 324 0’0000135
(necesita)
8[32]
Radiofrecuencia
WiFi
Sensor temperatura sin batería
A 1.5 metros 55’4 0’199440
A 3 metros 22’16 0’079776
A 4.5 metros 13’85 0’04986
Cámara sin batería
A 1.5 metros 43’33 0’155988
A 3 metros 17’33 0’0624
A 4.5 metros 11’55 0’0416
9[33] Radiofrecuencia
WiFi
De 0 a 1’5 metros 5500000
De 1’5 a 3 metros 3700000
De 3 a 4’5 metros 1060000
Primero vemos que en el caso de aplicaciones que dependen del movimiento a
mayor movimiento nos encontramos con mayor potencia. Esto también ocurre cuando
aumentamos la aceleración a la misma frecuencia en las aplicaciones electroestáticas. Si
variamos la frecuencia los valores disminuyen pese a aumentar la aceleración de
vibración. Este caso es de los que ofrece menores valores energéticos juntos con la
aplicación 6. Esta aplicación parece aumentar su valor al estar en movimiento el ser
humano que lleva la pulsera, pero recordando que los valores que se muestran son en
microvatios, la diferencia es muy pequeña. Esta pequeña diferencia se aprecia mejor en
la columna en vatios-hora y suponemos que se debe principalmente a que cuando
andamos la energía corporal aumenta y la exterior percibida es menor. Aun así, como
hemos comentado antes esta aplicación junto a la aplicación 3 podría usarse en
situaciones específicas como el medidor de oxígeno en sangre que sólo necesita 10µW
para funcionar. Sin embargo, podríamos decantarnos mejor por una aplicación basada
en fotovoltaicos como es la aplicación 7, cuya energía recogida es mayor que estas dos
últimas comentadas. Incluso en habitaciones interiores, abasteciendo de luz artificial,
nos ofrece valores mucho más superiores, en microvatios, que la aplicación con
termoeléctricos o electroestáticos.
Ahora si comparamos las dos aplicaciones que se posicionan en el cuerpo y que
recogen energía exclusivamente del movimiento, aplicaciones 2 y 5, vemos que sus
resultados son muy similares. En el caso caminando de la aplicación electromagnética
obtenemos un valor muy próximo a la aplicación con piezoeléctrico, incluso cuando la
primera va a una velocidad superior. Sin embargo, en la situación corriendo, aunque el
piezoeléctrico se estudia a 12 km/h, la energía en el generador electromagnético a 8km/h
es algo más mayor.
Respecto a las aplicaciones por radiofrecuencia observamos diferencias muy
considerables. Esto puede ser debido a que la aplicación 8 iba destinada a cargar sensores
y sus requerimientos energéticos no eran tan altos. Claramente la aplicación 9 es mucho
más interesante para un uso más grande. Esta aplicación está destinada a abastecer
energéticamente a los múltiples dispositivos que hay en un hogar y por ello esos valores
tan altos. Es posible que el hecho de tener receptores especiales en los dispositivos ayude
a aumentar esos valores de energía. Ambos casos pierden bastante la cantidad de energía
conforme se alejan del dispositivo. Aunque ambas parecen bastante similares la
aplicación 9 está mucho más avanzada a nivel de implantación y parece estar más cerca
de cumplir las exigencias energéticas de los consumidores [38].
En conclusión, como a nivel de viabilidad, las aplicaciones por radiofrecuencia
parecen las más interesantes para someter a estudios por la gran cantidad de energía que
podemos recoger. Es posible que con repetidores podamos replicar la señal y mantener
los niveles energéticos a distancias más lejanas. Por otro lado, las aplicaciones con
electromagnéticos o piezoeléctricos podrían explotarse más a nivel individual ya que,
aunque no son tan altos sus niveles energéticos sí que serían suficientes para un
dispositivo pequeño. Además, las aplicaciones con electromagnetismo no dependen de
señales exteriores para funcionar lo que añade aún más interés para seguir estudiando
aplicaciones posibles con esta tecnología. El resto de aplicaciones ofrecen valores de
energía muy bajos, pudiendo estar destinados a aplicaciones muy específicas como
medidores de oxígeno en sangre o pulsómetros.
El Internet de las cosas y las Smart Cities
El Internet de las cosas es una nueva tecnología basada en la comunicación entre
objetos o entre objeto y usuario, que permite la adquisición de datos y el tratamiento de
la misma con el objetivo de introducir, aún más, el internet en nuestro día a día. Con este
tipo de aplicaciones obtenemos una gran información de nuestro alrededor o de nosotros
mismos que anteriormente no teníamos, lo que nos permite mejorar nuestro papel diario
tanto a nivel personal como a nivel social [40].
El concepto de Smart City incluye una versión eficiente, sostenible, inteligente y de
calidad de las ciudades que tenemos actualmente mediante el uso de las tecnologías de
la información y de la comunicación (TIC) [41]. Una ciudad que aprovecha la
información pública para mejorar sus servicios y su calidad. Además, el concepto de
Smart City pretende ir ligado a una ciudad “abierta”, que dote a la gente de la
información recogida por todos esos sensores para crear conciencia y donde los
ciudadanos puedan ser escuchados por las administraciones públicas para que se
realicen cambios necesarios.
Figura 27 – Algunos sistemas que forman una Smart City [42].
Algunos de los aspectos que puede abarcar y mejorar este concepto, junto con el
internet de las cosas, son: automatización de casas e industrias, asistencia a ancianos,
control eficiente de la energía, control de salud a nivel individual, gestión del tráfico o
distribución inteligente de la red eléctrica. [40].
Según Endesa, el modelo ideal de Smart City debería incluir los siguientes subsistemas
[41]:
1. Smart Grids. Se trata de un sistema de distribución eléctrica totalmente
inteligente y basado en un modelo bidireccional, en lugar de unidireccional. En
este caso además de recibir energía como consumidores, también podríamos
producirla para otros consumidores. Además, el sistema cuenta con un centro de
servicios que controlaría todo nuestro consumo y recibiría una gran cantidad de
datos en tiempo real. Podríamos hacer uso de métodos de energy harvesting y de
ese modo, reduciríamos considerablemente el consumo de energía convencional;
y, además, podríamos reducir nuestras facturas.
Con ello se pretende aumentar la confianza y la calidad en el suministro de
energía eléctrica, permitiendo que se detecten y soluciones los problemas de
forma rápida y eficaz y dando prioridad a servicios más importantes, como los
de emergencia. Además, se busca un uso más eficiente y equilibrado por parte
del consumidor y una reducción de los problemas ambientales.
2. Smart Metering. Unido al aspecto anterior existirán contadores de la luz
inteligentes que permitan al consumidor tener conciencia y a su vez, ahorrar en
sus facturas o hacer uso de sus fuentes de energía propias.
3. Smart Buildings. Se pretende que todos los edificios tengan sus instalaciones
totalmente gestionadas por sistemas remotos y automatizadas. Los sistemas de
climatización, iluminación, seguridad, telecomunicaciones, multimedia, etc.;
estarán pensados para ahorrar energéticamente, ser más seguros, útiles y
accesibles.
4. Smart Sensors. Son la base de toda Smart City, proporcionan información tanto
a las administraciones del gobierno como al ciudadano. Esta información puede
ser de tipo ambiental, tráfico, movimiento, contaminación, control de consumos,
tratamiento de residuos, etc. Esta área es la de mayor importancia dado que es la
clave para montar todos los sistemas de una Smart City. Existen una gran
cantidad de sensores con aplicación en muchos aspectos de nuestra sociedad,
algunos ejemplos de aplicaciones ordenados según el tema al que van
relacionado son [43]:
a. Smart Cities. Control de plazas de aparcamientos, control de las
condiciones de un edificio, controles de ruido ambiente, control de las
emisiones electromagnéticas de estaciones, control de atascos y
descongestionamiento del mismo, uso de luces públicas inteligentes,
gestión del recogido de basuras en función de los niveles de basura en
cada contenedor, etc.
b. Smart Environment. Detección de fuegos instalando sensores en bosques,
control de la contaminación, control de la humedad del suelo, vibraciones
o densidad de la tierra para detectar y conocer posibles patrones
peligrosos como terremotos.
c. Smart Water. Control de la calidad del agua potable, control de vertidos
químicos en ríos y mares, control de los niveles de contaminación del mar,
control de niveles de agua y ríos y lagos para controlar variaciones e
irregularidades.
d. Seguridad y emergencias. Detección de gases contaminantes o
explosivos en industrias o fábricas de químicos, control de niveles
radioactivos por parte de centrales nucleares, localizador GPS para
emergencias médicas o individuos peligrosos.
e. Logística y control industrial. Mejora de la calidad del servicio de envío
de paquetes con controles de vibración, abertura de contenedores,
localizador individual de paquetes. Control por parte de las industrias de
su contaminación al exterior.
f. Agricultura y granjas inteligentes. Control de las condiciones de la
tierra, el aire, la humedad y demás para proporcionar las mejores
condiciones para los cultivos.
g. Domótica y automatismos en hogares. Control remoto de temperatura,
gasto energético, persianas, seguridad, agua, en definitiva, de todos los
elementos dotados de internet en la casa. Desde el móvil se podrán activar
o desactivar funciones, así como consultar datos recogidos de nuestro
hogar. Sistemas de detección de movimiento y cámaras para mejorar la
seguridad, ya implantados. Neveras inteligentes con control de
alimentos, lavadoras conectadas al smartphone y un sinfín de
electrodomésticos que son controlados desde nuestro teléfono móvil.
h. Salud. Detección de posibles accidentes en personas mayores o
dependientes que viven solas, control de constantes vitales en personas
débiles o con un alto esfuerzo deportivo en tiempo real.
5. EMobility. Aunque no vaya tan relacionado con el uso del internet de las cosas,
en una Smart City se pretende un gran uso del transporte público y transportes
no contaminantes como las bicicletas que mejoren la calidad ambiental. Además,
se pretenden usar automóviles de 0 emisiones, compartir coches e instalar
suficientes puestos de recarga eléctrica para coches eléctricos.
6. TIC. Las tecnologías de la información y la comunicación ya presentes en nuestro
día a día serán el factor clave junto con los sensores del desarrollo eficiente de las
ciudades inteligentes. Y es que esta gran cantidad de sensores y de información
y esa eficiencia e inteligencia que buscamos en los servicios debe ser gestionada
y computada correctamente. Toma un factor crucial la computación en la nube
que nos permitirá liberar de trabajo de procesamiento a los dispositivos y generar
información y servicios más eficaces por medio de servicios en la nube.
La computación en la nube nos permite cumplir las exigencias de aplicaciones
más potentes usando infraestructuras en la nube. Con ello, nos permiten unir
diferentes sensores o aplicaciones para crear sistemas más complejos y ampliar
la recolección de datos. El dispositivo o sensor se conecta a la nube por medio del
Mobile Cloud Computing (MCC) que permite trasladar parte del procesamiento
de los dispositivos a un servidor remoto en la nube. [44] Uno de sus
inconvenientes es la poca seguridad de transmitir datos por la red. Por ejemplo,
si estamos grabando a un bebe dormido y enviando ese video a una aplicación
en un teléfono móvil, no podemos permitir que esas imágenes sean accesibles a
cualquier persona.
En el momento que conectas varios sensores o dispositivos que deben ofrecer una
respuesta en tiempo real como es el caso anterior, cobra gran importancia la
calidad del servicio y la rapidez [45]. Por eso es importante estudiar métodos de
computación en la nube que permitan a aplicaciones en tiempo real tratar y
enviar la información de calidad y de forma eficiente, teniendo en cuenta cuales
son las prioridades.
7. Smart Citizen. Un factor importante es la concienciación y la participación por
parte de los ciudadanos para que este sistema funcione. El ciudadano debe ser
partícipe de esa gestión eficiente de la energía, del reciclaje, del uso de
transportes limpios, de generar su propia energía limpia, de ahorrar en consumos
de agua o luz, de aportar información para incrementar la inteligencia de la
Smart City. Esta nueva tecnología no pretende cambiar nuestras ciudades,
pretende cambiar nuestro modo de vida.
Además, nos parece interesante incluir otros sistemas que incluyan la mejora de los
servicios públicos o las administraciones públicas.
Un sistema muy interesante para introducir en la sociedad sería uno que fomente la
mejora de la accesibilidad de una ciudad para personas con discapacidades [46]. Una
aplicación que facilita la comunicación de los ciudadanos con el gobierno y que, además,
mejora la calidad de una ciudad por medio de un sistema de computación en la nube. Se
trata de una aplicación que nos permite como viandantes (con o sin discapacidad)
registrar los sitios donde encontramos problemas o dificultades en nuestras rutas.
Además, permite recomendar rutas a las personas con alguna discapacidad para que
eviten estos puntos y hacer más fácil su desplazamiento. Con ello se pretende ayudar a
otros usuarios de la aplicación y, además, tratar estos datos en la nube para notificarlos
en una aplicación web diseñada para la administración del gobierno que esté a cargo de
la accesibilidad urbana. La persona a cargo podrá ver las rutas registradas con sus
correspondientes puntos de dificultad de movilidad y anotar las medidas que se van a
llevar a cabo para solucionarlo, lo cual se notificará a las personas que introdujeron estos
lugares.
Por ejemplo, un sistema de monitorización de atletas en tiempo real que permita el
control de sus constantes vitales y envíe esa información a los asistentes sanitarios [47].
También podríamos aplicar este sistema a el día a día para la asistencia sanitaria de
personas mayores. Con ello podríamos evitar muertes debidas a sobreesfuerzo o
desmayos por deshidratación.
Otro ejemplo sería un pequeño invento que haría la vida más cómoda es una alarma que
tiene acceso al horario de los trenes y si un tren se retrasa o es cancelado, te deja dormir
unos minutos más [48]. ¿No mejoraría el día no tener que estar esperando al tren o
directamente ir a la estación para nada? Lo mismo podríamos aplicar a aviones o metros.
¿Y si fuera a la inversa? ¿Y si la aplicación viera que existe un atasco enorme en tu ruta
diaria y sabiendo otra ruta alternativa te despertara 10 minutos antes para que no llegues
tarde? Conseguiríamos no llegar tan tarde y despejar ese atasco por los otros usuarios
que también evitaron esta ruta.
Hace ya un tiempo que Google ya ha implantado el aviso de atascos [49]. No tienes
siquiera que calcular una ruta en Google Maps, te avisa directamente de que en X autovía
hay atasco de X tiempo. Y esto es gracias al internet de las cosas y todos los GPS de los
usuarios de Google que están atascados con su coche enviando información en tiempo
real.
El papel que juega la recolección de energía ambiente para los sensores es muy
importante dentro del desarrollo de las Smart Cities. Primero por el gran despliegue de
sensores que se pretende implantar y las cantidades de energía que pueden llegar a
consumir. Segundo por lo complicado de tener que sustituir baterías de todos esos
sensores, las cuales serían microbaterías. Tercero porque forman parte del sistema
eficiente y sostenible que se quiere lograr. De este modo, todo el sistema de sensores
podría funcionar mediante energías limpias e inagotables y avanzaríamos hacia una
sociedad menos dependiente de combustibles fósiles o energía nuclear, los cuales dañan
nuestro aire, nuestras aguas, nuestro ecosistema y nuestra salud [50].
Conclusiones
En definitiva, ha quedado patente una gran necesidad energética actual y en los
próximos años debido al gran aumento de dispositivos del Internet de las Cosas. Estos
dispositivos cada vez necesitan baterías más potentes y más pequeñas, lo que hace
complicado remplazarlas y, por lo tanto, recorta su tiempo de vida y aumenta nuestros
gastos. En un futuro próximo el objetivo es que las ciudades sean inteligentes y sean
capaz de monitorizar su entorno mediante sensores o dispositivos inteligentes que
recojan información. Con este objetivo aumenta la gran demanda energética ya
existentes y se une la problemática del gasto y la contaminación que suponen las
baterías.
Por ello, vemos una clara necesidad en la investigación de métodos que favorezcan el
uso de energías limpias y renovables, que ayuden a implantar nuestras ciudades
sostenibles y eficientes sin hacer uso de combustibles fósiles u otros sistemas
contaminantes. Energy harvesting es la tecnología más adecuada para los dispositivos
inteligentes de la Smart City, debido a que está destinada a aplicaciones de tamaño
reducido y que pueden ser totalmente independientes. Además, en algunos casos el
valor energético recogido por las aplicaciones es capaz de cargar múltiples dispositivos,
lo que nos lleva a pensar que, con un poco de investigación, estos métodos podrían
proveer demandas más altas de energía. Además, la instalación de estos dispositivos
sería muy sencilla y sin cables, lo que ahorraría costes de instalación y materiales, sin
contar el ahorro energético que supone no tener que comprar energías no renovables.
En el estudio de las aplicaciones analizadas hemos concluido que la energía por medio
de radiofrecuencia parece la que mejor podría satisfacer nuestro día a día. Esto es debido
a la gran cantidad de puntos WiFi que solemos encontrar en grandes ciudades. Se podría
aprovechar todos estos lugares para trasmitir energía. Por otro lado, las aplicaciones por
medio de piezoeléctricos nos parecen interesantes a la hora de promover el movimiento
o ejercicio físico para obtener energía. Las aplicaciones por electromagnetismo podrían
estar destinadas a todos los sensores colocados en lugares donde no existan tanto puntos
WiFi o para dispositivos de uso personal como pulseras o audífonos. El resto de
aplicaciones tienen muy baja energía y dependen de factores externos, lo que no los hace
tan confiables a la hora de invertir en el estudio de los mismos. Sin embargo, ha quedado
patente que serían capaces de abastecer pequeñas aplicaciones.
Por último, una vez resuelto el problema energético que supondría poner en marcha la
implantación de las ciudades inteligentes o Smart Cities, tendríamos que concienciar a
la población de un cambio en su forma de vida y en cómo funcionan las ciudades. Se
pretende tener una ciudad eficiente, inteligente, sostenible y respetuosa con el medio
ambiente y con ello, unos ciudadanos que busquen ese objetivo. Las Smart Cities
recogerán millones de datos que nos servirán para ser mejores ciudadanos si los tenemos
en cuenta. Podremos controlar nuestros consumos energéticos, de agua y nuestras
emisiones. Por eso, aunque ya estemos implantando ciertos conceptos de una Smart City,
como pueden ser sensores de contaminación en ciudades grandes o el compartir
información entre ciudadanos sobre la calidad de las calles, debemos tener un cambio
en nuestra forma de vida, dar prioridad a ciertos aspectos que antes no teníamos en
cuenta y tener un compromiso con el resto de ciudadanos.
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